劉召勝 張 華 郭子源 周 育

(1.中冶北方工程技術(shù)有限公司;2.安徽馬鋼張莊礦業(yè)有限責(zé)任公司)

近年來，由于淺地表礦產(chǎn)資源消耗殆盡，我國礦山逐步進(jìn)入深井開采階段，高地溫是深井開采所面臨的主要問題之一［1］。隨著開采深度的增加、地溫增高，礦井通風(fēng)系統(tǒng)越來越復(fù)雜。通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)解算及風(fēng)機(jī)選擇一直是礦山工程人員的關(guān)注重點(diǎn)，對于大型礦山，傳統(tǒng)的風(fēng)網(wǎng)解算程序能夠?qū)崿F(xiàn)，但難以操作且交互性差。

本文根據(jù)馬鋼張莊鐵礦開拓系統(tǒng)，確定了礦山通風(fēng)方式和通風(fēng)機(jī)站位置，通過Ventsim建立了該礦三維通風(fēng)系統(tǒng)，分別在不同降溫風(fēng)速和不同巷道摩阻系數(shù)下情況下，對通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行解算，得到各通風(fēng)機(jī)站的風(fēng)量及風(fēng)壓值。分析降溫風(fēng)速、摩阻系數(shù)與通風(fēng)機(jī)站風(fēng)壓之間的關(guān)系，得到了規(guī)律性的結(jié)論，對張莊鐵礦及類似礦山的風(fēng)網(wǎng)解算及風(fēng)機(jī)的選擇提供參考。

1 礦山概況

馬鋼張莊鐵礦位于安徽省霍邱縣城西北31 km，地處周集鎮(zhèn)和馮井鎮(zhèn)之間，北距淮河10 km、阜陽45 km。設(shè)計生產(chǎn)能力500萬t/a，采用主副井集中開拓，分兩期開采。采礦階段高度為60 m，一期工程開采階段為－210～－450 m，共4個采礦階段;二期開采－450～－690 m階段。－690 m階段以下礦體與深部補(bǔ)勘后的礦體一起列入三期開采范圍。開采順序?yàn)樯舷蜷_采，首采階段為－450 m。

2 礦山通風(fēng)系統(tǒng)

2.1 通風(fēng)方式及機(jī)站位置確定

根據(jù)礦體賦存條件及開拓系統(tǒng)主副井位置布置狀況及礦體開采順序等因素，采用多級機(jī)站通風(fēng)方式，兩翼對角式通風(fēng)系統(tǒng)。副井、進(jìn)風(fēng)井、措施井進(jìn)風(fēng)，南、北回風(fēng)井回風(fēng)。井下劃分為鑿巖水平、出礦水平、運(yùn)輸水平、溜破系統(tǒng)4個通風(fēng)區(qū)［2］。

機(jī)站分3級設(shè)置，出礦水平和鑿巖水平副井石門、進(jìn)風(fēng)井石門設(shè)Ⅰ級機(jī)站;出礦水平、鑿巖水平各盤區(qū)回風(fēng)巷聯(lián)絡(luò)道設(shè)Ⅱ級機(jī)站;南、北回風(fēng)井回風(fēng)石門設(shè)Ⅲ級機(jī)站。機(jī)站詳細(xì)位置如表1所示。

表1 張莊鐵礦機(jī)站位置分布

2.2 風(fēng)量計算

井下通風(fēng)風(fēng)量要滿足井下工作面作業(yè)條件，由于該礦地溫較高，需按照通風(fēng)降溫計算所需風(fēng)量［3］。以降溫風(fēng)速1 m/s為例，礦井總需風(fēng)量計算如表2所示。

按表2，分別計算降溫風(fēng)速為0.4，0.6，0.8，1.0，1.2，1.4 m/s時礦山的總需風(fēng)量，得到降溫風(fēng)速與總需風(fēng)量的關(guān)系曲線，如圖1所示。

2.3 通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)模型建立

在AutoCAD中對各水平施工圖進(jìn)行簡化處理，清除建立網(wǎng)絡(luò)模型沒有影響或影響很小的工程，并賦標(biāo)高，形成礦井通風(fēng)系統(tǒng)三維模型［4-5］。將模型導(dǎo)入到Ventsim軟件中，對巷道斷面尺寸、巷道風(fēng)阻、局部阻力、是否連接地表及末端是否閉合等風(fēng)路屬性參數(shù)進(jìn)行設(shè)置(圖2)，形成張莊鐵礦三維通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)模型(圖3)。

表2 風(fēng)量計算

圖1 降溫風(fēng)速與總需風(fēng)量關(guān)系

3 風(fēng)網(wǎng)模擬解算

3.1 模擬方案介紹

風(fēng)機(jī)風(fēng)壓是風(fēng)機(jī)選型的主要參數(shù)之一，為研究通風(fēng)機(jī)站處風(fēng)壓與降溫風(fēng)速和摩阻系數(shù)之間的關(guān)系，分別對降溫風(fēng)速為 0.4，0.6，0.8，1.0，1.2，1.4 m/s，摩阻系數(shù)為 0.01，0.012，0.014 Ns2/m4情況下的通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行解算，共18個方案。

3.2 風(fēng)量分配

由圖3可知，礦井風(fēng)流通過南、北回風(fēng)井排出地表，主要對南北回風(fēng)井石門分風(fēng)量方式進(jìn)行通風(fēng)模擬。礦井總風(fēng)量確定后，根據(jù)南北采區(qū)及上下水平需風(fēng)點(diǎn)比例，確定南北回風(fēng)井及回風(fēng)石門的分風(fēng)量比例［6］。根據(jù)張莊鐵礦實(shí)際情況，南北回風(fēng)井石門的分風(fēng)比例如表3所示。

3.3 模擬結(jié)果

分風(fēng)計算后，按各模擬方案分別設(shè)置各回風(fēng)石門處回風(fēng)量及巷道摩阻系數(shù)，并進(jìn)行通風(fēng)模擬［7］。

圖2 風(fēng)路屬性參數(shù)設(shè)置

圖3 張莊鐵礦通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)模型

表3 各回風(fēng)石門分風(fēng)量比例 %

由于篇幅所限，只列出摩阻系數(shù)為0.012 Ns2/m4、降溫風(fēng)速為1.0 m/s時的模擬結(jié)果，如圖4所示。由前文可知，礦山所設(shè)機(jī)站較多，模擬結(jié)果不便全部列出，由表3可知，－450 m南回風(fēng)井石門負(fù)擔(dān)較大的回風(fēng)量，只對此處通風(fēng)機(jī)站(8#機(jī)站)風(fēng)機(jī)全壓、風(fēng)機(jī)電機(jī)功率與降溫風(fēng)速和摩阻系數(shù)的關(guān)系進(jìn)行研究。8#機(jī)站各方案風(fēng)機(jī)風(fēng)壓及電機(jī)功率如表4所示。

圖4 降溫風(fēng)速為1.0 m/s、摩阻系數(shù)為0.012 Ns2/m4時通風(fēng)模擬風(fēng)量分布

4 模擬結(jié)果分析

4.1 風(fēng)機(jī)全壓與降溫風(fēng)速、摩阻系數(shù)的關(guān)系

不同摩阻系數(shù)風(fēng)機(jī)全壓與降溫風(fēng)速之間的關(guān)系曲線如圖5所示。由圖5可知，當(dāng)摩阻系數(shù)相同時，風(fēng)機(jī)全壓值隨降溫風(fēng)速增大而增加，呈非線性關(guān)系［8］;曲線在風(fēng)速為0.6和1.0 m/s處出現(xiàn)拐點(diǎn)，在1.0 m/s時增幅明顯增加。不同降溫風(fēng)速風(fēng)機(jī)全壓與摩阻系數(shù)之間的關(guān)系曲線如圖6所示。由圖6可知，當(dāng)降溫風(fēng)速相同時，風(fēng)機(jī)全壓值隨摩阻系數(shù)增大而增加，呈線性關(guān)系，曲線較為平緩，增長率較小;當(dāng)降溫風(fēng)速為0.4和0.6 m/s時曲線近乎水平，隨降溫風(fēng)速增加，增長率有所增加，總體增長趨勢較平均。

表4 8#機(jī)站不同降溫風(fēng)速和摩阻系數(shù)情況下的風(fēng)機(jī)全壓及電機(jī)功率

圖5 不同摩阻系數(shù)風(fēng)機(jī)全壓與降溫風(fēng)速之間的關(guān)系

4.2 風(fēng)機(jī)電機(jī)功率與降溫風(fēng)速、摩阻系數(shù)關(guān)系

不同摩阻系數(shù)風(fēng)機(jī)電機(jī)功率與降溫風(fēng)速之間的關(guān)系曲線如圖7所示。不同降溫風(fēng)速風(fēng)機(jī)電機(jī)功率與摩阻系數(shù)之間的關(guān)系曲線如圖8所示。

由圖7可知，當(dāng)摩阻系數(shù)一定時，風(fēng)機(jī)電機(jī)功率隨降溫風(fēng)速增加而增大，呈非線性關(guān)系。曲線在不同降溫風(fēng)速值處都出現(xiàn)拐點(diǎn)，增長率逐漸增大［9］;當(dāng)風(fēng)速為1.0 m/s時，曲線斜率明顯增加，說明當(dāng)降溫風(fēng)速超過1.0 m/s時，風(fēng)機(jī)電機(jī)功率增加顯著。

圖6 不同降溫風(fēng)速風(fēng)機(jī)全壓與摩阻系數(shù)之間的關(guān)系

圖7 不同摩阻系數(shù)風(fēng)機(jī)電機(jī)功率與降溫風(fēng)速之間的關(guān)系

圖8 不同降溫風(fēng)速風(fēng)機(jī)電機(jī)功率與摩阻系數(shù)之間的關(guān)系

由圖8可知，當(dāng)降溫風(fēng)速一定時，風(fēng)機(jī)電機(jī)功率隨摩阻系數(shù)增加而增大，且呈線性關(guān)系;當(dāng)降溫風(fēng)速不大于0.8 m/s，風(fēng)機(jī)電機(jī)功率較低，且增長幅度較小;當(dāng)風(fēng)速從0.8 m/s增長至1.4 m/s時，風(fēng)機(jī)電機(jī)功率顯著增高;當(dāng)降溫風(fēng)速為1.4 m/s時，電機(jī)功率最大達(dá)1010.2 kW。

由上述分析可知，降溫風(fēng)速對風(fēng)機(jī)風(fēng)壓和電機(jī)功率的影響較摩阻系數(shù)對其的影響大，當(dāng)降溫風(fēng)速超過1.0 m/s時，風(fēng)機(jī)風(fēng)壓和電機(jī)功率增加明顯。

4.3 通風(fēng)效果分析

由各方案模擬結(jié)果的風(fēng)量分布圖可知，當(dāng)降溫風(fēng)速低于1.0 m/s時，－480 m運(yùn)輸水平巷道風(fēng)量分布大部分低于8.1 m3/s，通風(fēng)效果較差［10］;當(dāng)風(fēng)速為1.0 m/s及以上時，礦山整體通風(fēng)效果良好，但仍有部分風(fēng)路風(fēng)量較小，最小風(fēng)量為0.2 m3/s，主要位于－480 m運(yùn)輸水平北端巷道和部分通風(fēng)短路巷道。分析原因主要為－480 m水平?jīng)]有直接與回風(fēng)井連接，且該處風(fēng)路較長，在實(shí)際生產(chǎn)時可在該條風(fēng)路一端增加局扇通風(fēng)。

5 結(jié)論

通過應(yīng)用Ventsim軟件對張莊鐵礦通風(fēng)系統(tǒng)的模擬及分析，可得到以下結(jié)論:

(1)風(fēng)機(jī)全壓和風(fēng)機(jī)電機(jī)功率隨降溫風(fēng)速的增加呈非線性增長，且增長幅度逐漸增大;隨摩阻系數(shù)的增大呈線性增長，降溫風(fēng)速變化對其的影響較摩阻系數(shù)大。

(2)降溫風(fēng)速低于1.0 m/s時，礦山整體通風(fēng)效果較差;降溫風(fēng)速為1.0 m/s及以上時，通風(fēng)效果良好，但當(dāng)降溫風(fēng)速大于1.0 m/s時風(fēng)機(jī)全壓和風(fēng)機(jī)電機(jī)功率都明顯增加，通風(fēng)成本增大。因此，礦山降溫風(fēng)速選擇為1.0 m/s。8#機(jī)站風(fēng)機(jī)全壓選擇為2000～2500 Pa，風(fēng)機(jī)電機(jī)功率選擇為300～380 kW，其他機(jī)站風(fēng)機(jī)的選取方法與8#機(jī)站相同。

(3)礦山通風(fēng)較為困難的風(fēng)路主要位于－480 m運(yùn)輸水平北端巷道，實(shí)際生產(chǎn)過程中可在其端部增加局扇，以加強(qiáng)通風(fēng)。

(4)將研究結(jié)果與其他通風(fēng)解算程序結(jié)果進(jìn)行對比，模擬結(jié)果較為準(zhǔn)確，可作為張莊鐵礦風(fēng)機(jī)選型的依據(jù)，為類似礦山通風(fēng)系統(tǒng)解算分析提供了參考。

［1］ 吳 超.礦井通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)［M］.長沙:中南大學(xué)出版社，2008.

［2］ 柳明明.Ventsim三維通風(fēng)仿真系統(tǒng)在金屬礦山的應(yīng)用［J］.金屬礦山，2010(10):120-122.

［3］ 駱貞江，楊成林.Ventsim軟件在礦井通風(fēng)中的應(yīng)用［J］.有色冶金設(shè)計與研究，2009，30(3):7-9.

［4］ 王超群.基于Ventsim系統(tǒng)的老礦山通風(fēng)系統(tǒng)改造研究——以銅興礦業(yè)為例［J］.有色金屬:礦山部分，2013，65(1):87-89.

［5］ 張水平，熊正明.礦井通風(fēng)設(shè)計階段主扇壓力確定方法的研究［J］.金屬礦山，2001(11):51-54.

［6］ 吳冷峻，宋愛東，周 偉，等.司家營鐵礦南區(qū)2000萬t/a工程通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化研究［J］.金屬礦山，2011(10):139-147.

［7］ 蘇錫安.玉石洼鐵礦通風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)網(wǎng)解算及優(yōu)化調(diào)節(jié)研究［J］.中國礦山工程，2013，42(5):38-42.

［8］ Aynsley，Richard M.A resistance approach to analysis ofnatural ventilation airflow networks［J］.Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics，1997(67):711-719.

［9］ 王大尉.基于Ventsim軟件的礦井通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化［J］.煤礦開采，2011，16(5):25-26.

［10］ 馮 偉，朱方平，劉全義.三維仿真軟件Ventsim在礦井熱害控制中的應(yīng)用［J］.西安科技大學(xué)學(xué)報，2011，31(6):776-779.